CN116299550B - 一种水下共轴单光子成像系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光学成像技术，具体涉及一种水下共轴单光子成像系统及方法，为解决现有技术中存在的对水下目标进行探测时噪声能量过高，使得单光子探测器探测到目标的概率较低，造成目标的计数损失的不足之处。本发明水下共轴单光子成像系统包括密封壳体，设置在密封壳体中的偏振光发射装置、二维扫描振镜、打孔反射镜、偏振分光棱镜、窄带滤光片、物镜、光纤耦合器、单光子探测器，以及核心处理单元；偏振光发射装置用于发射垂直偏振光，垂直偏振光传输至二维扫描振镜，对探测目标进行扫描，回波信号经过去噪传输至物镜；本发明的成像方法基于上述系统，增强深度信息和强度信息的准确性。
Description
技术领域
本发明涉及水下光学成像技术，具体涉及一种水下共轴单光子成像系统及方法。
背景技术
传统激光雷达技术受限于成像环境，在水下或其他极端环境下往往难以取得好的成像结果。
随着单光子探测器（Single Photon Detector, SPD）的发展，基于时间相关单光子计数器（Time-Correlated Single Photon Counting, TCSPC）的激光雷达系统极大地提升了水下环境的探测能力。对水下目标进行探测时，需考虑防水性与透光性，设备需安装光学窗口，光在空气中短距离传输能量衰减可以忽略不计，但水下环境属于强衰减环境，激光能量呈指数衰减，经过衰减后的激光能量用下式表示：
其中， 是衰减系数， />是传输距离， />是入水时初始激光能量， />是经过传输距离 />后激光能量， />是自然对数。因此即使短距离的水下传输也会使得到达目标的激光能量大幅减弱。当目标距离光学窗口较近时，由于光学窗口的反射光（本文将其定义为噪声，以下的噪声指代光学窗口的反射光）比目标回波先一步到达单光子探测器，并且对水下目标进行探测时因密封设备的特殊性导致噪声能量远大于目标回波能量，造成单光子探测器进入死时间，使得处在死时间内的目标无法被探测，并且根据TCSPC计数原理，单个TCSPC通道不能在同一个信号周期内记录第二个光子，因此会造成目标光子的丢失，使得单光子探测器探测到目标的概率较低，造成目标的计数损失。
发明内容
本发明的目的是解决现有技术中存在的对水下目标进行探测时噪声能量过高，使得单光子探测器探测到目标的概率较低，造成目标计数损失的不足之处，而提供一种水下共轴单光子成像系统及方法。
发明构思
本发明单光子成像系统主要用于水下成像，因此成像设备需设置在密封壳体中，使得激光通过密封壳体上的光学窗口传输至探测目标，激光传输过程中部分被光学窗口镜面反射，产生噪声，且水下是强衰减的成像环境，激光能量在水中传输时会急速衰减，导致目标信号光到达单光子探测器时极弱，而噪声的能量相对目标信号光较强，且噪声会先进入单光子探测器，使得探测目标漫反射的目标信号光进入单光子探测器时，单光子探测器由于处在死时间而无法接收目标信号光，导致单光子探测器接收的目标信号光稀疏，尤其是在水下近距离目标探测时，光学窗口的反射光和目标信号光到达单光子探测器的时间非常接近，单光子探测器接收的目标信号光稀疏，影响成像结果。
因此本发明利用光学窗口镜面反射的保偏性和探测目标退偏振效应，引入光的偏振特性，利用偏振特性对回波信号进行选通，结合单光子探测器的响应机制以及时间相关单光子计数器的计数原理，大幅度降低光学窗口的噪声能量，小幅度降低目标回波能量，减少接收噪声的概率，避免单光子探测器处在死时间而无法接收目标信号光，进而实现减少目标信号光的计数损失，同时，将物镜放在二维扫描振镜之后，减少噪声进入单光子探测器。
为实现上述目的，本发明提供的技术解决方案如下：
一种水下共轴单光子成像系统，其特殊之处在于：包括密封壳体，设置在密封壳体中的偏振光发射装置、二维扫描振镜、打孔反射镜、偏振分光棱镜、窄带滤光片、物镜、光纤耦合器、单光子探测器，以及核心处理单元，密封壳体上设置有光学窗口；所述偏振光发射装置用于发射垂直偏振光；所述打孔反射镜和二维扫描振镜依次共轴设置在所述垂直偏振光的光路上，打孔反射镜的中心设置通孔，垂直偏振光穿过打孔反射镜的通孔至二维扫描振镜；所述二维扫描振镜对应光学窗口设置，用于扫描探测目标，接收回波信号并将其传输至打孔反射镜，打孔反射镜反射回波信号，回波信号包括探测目标反射的目标信号光和光学窗口反射的噪声；所述偏振分光棱镜、窄带滤光片、物镜依次设置在打孔反射镜的反射光路上，偏振分光棱镜用于去除回波信号中的噪声，窄带滤光片用于隔离背景噪声，物镜用于接收去噪的回波信号；所述光纤耦合器用于将去噪的回波信号耦合至单光子探测器；所述单光子探测器用于响应回波信号中的回波光子，输出端连接所述核心处理单元，核心处理单元用于对回波光子计数，获取回波光子的飞行时间，控制偏振光发射装置工作，并对数据进行处理。
进一步地，还包括设置在偏振分光棱镜反射光路上的吸光材料；
所述目标信号光包括垂直分量偏振态和水平分量偏振态；
所述偏振分光棱镜用于将噪声和目标信号光中的垂直分量偏振态反射至吸光材料表面，将目标信号光中的水平分量偏振态透射。
进一步地，所述偏振光发射装置包括激光器，以及设置在激光器出射光路上的反射镜和偏振片；
所述反射镜用于调节激光器出射光路的水平；
所述偏振片用于将激光器的出射光起偏成垂直偏振光。
同时，本发明还提供一种基于上述水下共轴单光子成像系统的成像方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
S1，垂直偏振光通过打孔反射镜的通孔传输至二维扫描振镜，二维扫描振镜通过光学窗口对探测目标的第一点进行扫描探测并接收回波信号；所述回波信号包括探测目标反射的目标信号光和光学窗口反射的噪声；所述噪声为垂直偏振态，目标信号光中包括水平分量偏振态与垂直分量偏振态；
S2，二维扫描振镜将回波信号传输至打孔反射镜，使其反射至偏振分光棱镜；
S3，利用偏振分光棱镜去除回波信号中的噪声和垂直分量偏振态的目标信号光后，再通过窄带滤光片，得到去噪的回波信号；
S4，将去噪的回波信号传输至物镜，再由光纤耦合器耦合传输至单光子探测器；
S5，单光子探测器探测获得对应像素去噪的回波信号中的回波光子并通过核心处理单元对该像素回波光子计数，并获取回波光子的飞行时间；
S6，重复S1-S5多次，获得多个回波信号的回波光子和对应的飞行时间，并对其进行累积恢复出回波信号的离散波形，获得此像素的时间通道光子数分布；
S7，重复S1-S6，对探测目标的所有点进行扫描探测，获得所有像素的时间通道光子数分布，从而得到整体图像的回波光子信号；
S8，根据整体图像的回波光子信号，分别计算中间像素和边缘像素的深度信息和强度信息，从而得到强度图像和深度图像。
进一步地，步骤S6中，获得此像素的时间通道光子数分布具体为：
S6.1，计算进入单光子探测器的第i个像素对应噪声的时间通道光子数的数学期望分布 和第i个像素中目标信号光水平分量偏振态的时间通道光子数的数学期望分布 />；/>
其中， ， />为探测目标图像的扫描点的数量，/>为光学窗口的反射率，/>为偏振分光棱镜的反射率， />为激光器到单光子探测器全链路的衰减因子， />为单个光子的能量， />为激光器初始发射的能量分布，/>为偏振分光棱镜的透过率， />为目标信号光中水平分量偏振态的占比，/>为光学窗口的透过率， />为水的衰减系数， />为自然对数， />， />为探测目标到光学窗口的距离，/>为目标反射率；
S6.2，根据下式计算单光子探测器接收的第个像素的时间通道光子数的数学期望分布 />；
其中， 为单光子探测器的暗计数和激光在水中传输受到的散射噪声的总分布；
S6.3，对 进行泊松分布得到对应的时间通道光子数分布 />。
进一步地，步骤S7中，整体图像的回波光子信号 如下所示：
其中， 是像素数，/>， />为第1,2，…，i，…，z个像素的时间通道光子数分布。
进一步地，步骤S8具体为：
S8.1，将整体图像的回波光子信号 通过矩阵变换重构为三维数据立方体 />， />是由 />个像素的时间通道光子数分布组成的三维数据立方体；
S8.2，计算每个中间像素的深度信息 和强度信息 />，其中，1＜ />＜m，1＜ />＜n；
S8.3，对边缘像素进行赋值，得到每个边缘像素的深度信息和强度信息；
S8.4，根据步骤S8.2中的中间像素的深度信息和强度信息以及步骤S8.3中边缘像素的深度信息和强度信息，得到强度图像 和深度图像 />；
S8.5，根据强度图像 修正深度图像 />，得到新的深度图像 />。
进一步地，步骤S8.2中，计算每个中间像素的深度信息 和强度信息 />，具体为：
通过累加 四邻域像素的时间通道光子数分布得到第/>像素新的时间通道光子数分布 />， />中峰值对应的横坐标作为第 />像素的深度信息 />，将 />的总光子数求和得到第 />像素的强度信息 />；其中，/>是第 />像素的时间通道光子数分布。
进一步地，步骤S8.3中，利用欧氏距离最短的像素值对边缘像素进行赋值；
步骤S8.5具体为，找到 与其八邻域像素的中位数 />，使 />，其中，遍历整个图像，得到新的深度图像 />；其中，为第 />像素的强度信息，/>为第 />像素的深度信息。
进一步地，探测目标到光学窗口的距离满足下列关系：
其中， 为单光子探测器的死时间， />为光在水中传输的速度。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.本发明中噪声是由光学窗口镜面反射产生的反射光，具有保偏性，而探测目标表面相对粗糙，退偏振效应较显著，通过引入光的偏振特性，设置偏振分光棱镜，利用偏振特性对反射的回波信号进行选通，结合单光子探测器的响应机制以及时间相关单光子计数器的计数原理，通过大幅度降低光学窗口的噪声能量，小幅度降低目标回波能量，减少接收噪声的概率，避免单光子探测器处在死时间而无法接收目标信号光，进而减少目标信号光的计数损失，以此来增加对目标信号光的接收效率。
2.本发明的物镜设置在二维扫描振镜之后，距离光学窗口较远，减小光学窗口的噪声进入单光子探测器。
3.本发明水下共轴单光子成像方法通过计算偏振分光棱镜反射的噪声以及透射的目标信号水平分量偏振态的时间通道光子数的数学期望分布，引入偏振可显著提升物镜对目标信号光的接收效率，明显降低噪声。
4.本发明水下共轴单光子成像方法对中间像素进行赋值时，因为水下强衰减强散射环境造成回波信号中噪声强，且目标信号光稀疏，并且引入偏振会导致目标信号光减弱，因此利用相邻像素的信息重建图像信息，可以充分利用目标信号光中的相关信息，实现减小回波信号中噪声的同时，保证目标信号光的强度。
5.本发明水下共轴单光子成像方法中，因为目标信号光稀疏，导致此像素的深度信息失真，采用强度信息修正深度信息，增强深度信息的准确性，可以更加精准地探测深度信息。
附图说明
图1是本发明实施例的结构示意图；
图2是本发明实施例的原理示意图；
图3是本发明水下共轴单光子成像方法实施例中步骤10.2的流程图；
附图标记说明：
1-计算机，2-控制中心，3-时间相关单光子计数器，4-激光器，5-反射镜，6-偏振片，7-打孔反射镜，8-二维扫描振镜，9-光学窗口，10-探测目标，11-偏振分光棱镜，12-吸光材料，13-窄带滤光片，14-物镜，15-光纤耦合器，16-单光子探测器，17-密封壳体。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步的详细描述：
本发明水下共轴单光子成像系统，如图1所示，包括密封壳体17，设置在密封壳体内的偏振光发射装置、二维扫描振镜8、打孔反射镜7、偏振分光棱镜11、窄带滤光片13、物镜14、光纤耦合器15、单光子探测器16，以及远程设置的核心处理单元，核心处理单元包括时间相关单光子计数器3、控制中心2和计算机1，时间相关单光子计数器3用于对回波光子计数并获取回波光子的飞行时间，并将其上传至计算机1，控制中心2用于控制偏振光发射装置和时间相关单光子计数器3的工作状态，计算机1用于对接收的数据进行处理；密封壳体17上设置有光学窗口9。
偏振光发射装置包括激光器4，以及设置在激光器4出射光路上的反射镜5和偏振片6，激光器4的出射光为部分偏振光，反射镜5用于调节激光器4出射光路的水平，本实施例中设置有两个反射镜5，通过调节其设置角度，使得反射镜的激光器的出射光经反射后与偏振片6同轴，设置两个反射镜5有利于激光器4发射光的指向角调节，使激光器4发射光以需要的方向传播；打孔反射镜7和二维扫描振镜8共轴设置，使出射光与回波信号形成共轴光路，二维扫描振镜8对应光学窗口9设置，用于扫描探测目标10，接收回波信号，打孔反射镜7的中心设置通孔，通孔用于使激光的出射光通过，同时打孔反射镜7用于反射回波信号，偏振分光棱镜11、窄带滤光片13和物镜14依次设置在打孔反射镜7的反射光路上，偏振分光棱镜11的反射光路上设置有吸光材料12；光纤耦合器15的输入端连接物镜14，输出端连接单光子探测器16，单光子探测器16的输出端连接时间相关单光子计数器3。
单光子探测器16和时间相关单光子计数器3之间、计算机1和时间相关单光子计数器3之间、控制中心2和时间相关单光子计数器3之间，以及控制中心2和激光器4之间均为电连接，用于进行电信号传输。
本实施例中，脉冲激光经偏振片6起偏为垂直偏振光，二维扫描振镜8通过光学窗口9对目标扫描探测，回波信号包括：经探测目标10漫反射形成的水平分量偏振态的目标信号与垂直分量偏振态的目标信号、经光学窗口9镜面反射形成的垂直偏振态的噪声；偏振分光棱镜11为大恒光电GCC-402023单波长偏振分光棱镜，反射率高达99.9%，透射率可达96%，可以使垂直偏振光反射，水平偏振光透射，因此目标信号光中的垂直分量偏振态和噪声通过反射去除率可以达到99.9%，同时，目标信号光的水平分量偏振态透过率达到96%，相对噪声而言，目标信号得到大幅保留。
水下共轴单光子成像系统的工作原理如图2所示，其中光学元件包括：窄带滤光片13、物镜14和光纤耦合器15，结合本实施例的成像系统，水下共轴单光子成像方法包括以下步骤：
S1，控制中心2控制激光器4发射脉冲激光，同时，控制时间相关单光子计数器3开始计时；脉冲激光为部分偏振光；
S2，脉冲激光通过两个反射镜5调节水平后经偏振片6起偏为垂直偏振光；
偏振片6起偏为垂直偏振光具体为：偏振片6的偏振态为垂直方向，当部分偏振光通过偏振片6时，其中水平分量偏振态被偏振片6吸收；
S3，垂直偏振光通过打孔反射镜7的通孔传输至二维扫描振镜8，二维扫描振镜8通过光学窗口9对探测目标10的第一点进行扫描探测并接收回波信号；所述第一点指二维扫描振镜8扫描探测目标10的第一点，优选从探测目标10的左上角开始扫描探测，扫描方式可以是蛇形扫描，或者从左至右、从上到下依次进行扫描；
回波信号包括探测目标10经漫反射形成的目标信号光和光学窗口9经镜面反射形成的噪声；探测目标10表面相对粗糙，漫反射对垂直偏振光产生退偏效果，因此目标信号光中包括水平分量偏振态与垂直分量偏振态；光学窗口9镜面反射形成的噪声为垂直偏振态；
S4，二维扫描振镜8将回波信号传输至打孔反射镜7，使其反射至偏振分光棱镜11；
S5，利用偏振分光棱镜11和窄带滤光片13得到去噪的回波信号
偏振分光棱镜11将噪声和目标信号光中的垂直分量偏振态反射至吸光材料12，避免噪声在密封壳体17中传播，将目标信号光中的水平分量偏振态透射至窄带滤光片13，通过窄带滤光片13去除背景噪声，得到去噪的回波信号；
S6，将去噪的回波信号传输至物镜14，再由光纤耦合器15耦合后通过光纤传输至单光子探测器16；
S7，单光子探测器16探测获得对应像素去噪的回波信号中的回波光子并触发时间相关单光子计数器3进行计数，同时，时间相关单光子计数器3记录该光子的飞行时间，并将飞行时间存入计算机1；
S8，重复S1-S7多次，获得多个回波信号的回波光子和对应的飞行时间，并对其进行累积恢复出回波信号的离散波形，获得此像素的时间通道光子数分布；重复S1-S7至少两次；
获得此像素的时间通道光子数分布，具体为：
S8.1，计算单光子探测器16接收的第i个像素对应噪声的时间通道光子数的数学期望分布 和第i个像素中目标信号光水平分量偏振态的时间通道光子数的数学期望分布 />；
其中， ， />为探测目标10的扫描点的数量，扫描点设置有n列，每列m个，/>为光学窗口9的反射率，/>为偏振分光棱镜11（PBS）的反射率， />为激光器4到单光子探测器16全链路的衰减因子， />为单个光子的能量， />为激光器4初始发射的能量分布，/>为偏振分光棱镜11的透过率， />为目标反射光中水平偏振分量光的占比，/>为光学窗口9的透过率，/>为水的衰减系数，/>为自然对数， />， />为探测目标10到光学窗口9的距离，/>为目标反射率；（注：文中加粗字符均为向量）
本发明用于水下近距离成像，探测目标10到光学窗口9的距离满足下式：
其中， 为单光子探测器16的死时间， />为光在水中传输的速度。
探测目标10距离光学窗口9若在死时间之外，也即探测目标10到光学窗口9的距离大于d'，那么不加偏振的情况下，光学窗口9噪声令单光子探测器16经过死时间后，仍可探测探测目标10，此时目标不一定会发生计数损失，另外探测目标10到光学窗口9的距离大于d'时，水中能量的衰减导致回波光子更稀疏，此时加入偏振反而会降低回波光子数。
S8.2，根据下式计算单光子探测器16接收的第 个像素的时间通道光子数的数学期望分布 />；
其中， 为单光子探测器16的暗计数和激光在水中传输受到的散射噪声的总分布，/>，/>为时间通道的个数， />为第1,2，…，k个时间通道的暗计数和激光在水中传输受到的散射噪声的总分布。
S8.3，对 进行泊松分布得到对应的时间通道光子数分布 />，
其中， 表示泊松分布；
S9，重复S1-S8，对探测目标10的所有点进行扫描探测，获得所有像素的时间通道光子数分布，从而得到整体图像的回波光子信号；
其中， 是像素数，/>， />为第1,2，…，i，…，z个像素的时间通道光子数分布；
S10，根据整体图像的回波光子信号，分别计算中间像素和边缘像素的深度信息和强度信息，从而得到探测目标的强度图像和深度图像；具体为：
S10.1，将整体图像的回波光子信号 经过矩阵变换重构为三维数据立方体 />，是由 />个像素的时间通道光子数分布组成的三维数据立方体，如下所示，
其中， ，
，… ；
以此类推， ；
表示第 />像素的时间通道光子数分布，1＜ />＜m，1＜ />＜n；
S10.2，计算每个中间像素的深度信息 和强度信息 />；
具体为：
通过累加 四邻域像素的时间通道光子数分布得到第 />像素新的时间通道光子数分布 />，/>中峰值对应的横坐标作为第/>像素的深度信息/>，将 />的总光子数求和得到第 />像素的强度信息 />；如图3所示，具体操作流程如下：
1）设定 =2；
2）判断 是否小于m，若大于等于m，则结束计算；
若 小于m，设定 />=2；
3）判断 是否小于n，若大于等于n，则令 />，并返回步骤2）；
若 小于n，则 />
取 中峰值对应的横坐标作为该像素点的深度信息 />，并将 />的总光子数求和，得到强度信息 />；
4）令l=l+1，返回步骤3）；
S10.3，利用欧氏距离最短的像素值对边缘像素进行赋值，得到每个边缘像素的深度信息和强度信息；
具体为： = />；
= />；
= />；
= />；
,/>,/>,/>；
= />；
=/>，
= />，
= />；
， />，/>，/>；
S10.4，根据步骤S10.2的中间像素和步骤S10.3中边缘像素的深度信息和强度信息，得到强度图像 和深度图像 />。
其中，
S10.5，根据强度图像 修正深度图像 />，得到新的深度图像 />。
具体为：找到与其八邻域像素强度信息的中位数/>，使 />，其中，遍历整个图像，得到新的深度图像 />； />为第/>像素的强度信息， />为第 />像素的深度信息。
由于激光在水中会受到强衰减的影响，并且偏振也会造成目标回波能量降低，本发明水下共轴单光子成像方法，针对稀疏回波，利用像素之间的空间联系性去重建强度信息以及深度信息。
在本发明的其它实施例中，也可以使用峰值法对步骤S10.3中边缘像素进行赋值，但是使用峰值法进行赋值时会使得边缘出现噪点，影响最终成像效果，因此本发明优选利用欧氏距离最短的像素值对边缘像素进行赋值。
Claims (9)
1.一种水下共轴单光子成像系统，其特征在于：
包括密封壳体(17)，设置在密封壳体(17)中的偏振光发射装置、二维扫描振镜(8)、打孔反射镜(7)、偏振分光棱镜(11)、窄带滤光片(13)、物镜(14)、光纤耦合器(15)、单光子探测器(16)，以及核心处理单元，密封壳体(17)上设置有光学窗口(9)；
所述偏振光发射装置用于发射垂直偏振光；
所述打孔反射镜(7)和二维扫描振镜(8)依次共轴设置在所述垂直偏振光的光路上，打孔反射镜(7)的中心设置通孔，垂直偏振光穿过打孔反射镜(7)的通孔至二维扫描振镜(8)；所述二维扫描振镜(8)对应光学窗口(9)设置，用于扫描探测目标(10)，接收回波信号并将其传输至打孔反射镜(7)，打孔反射镜(7)反射回波信号，回波信号包括探测目标(10)反射的目标信号光和光学窗口(9)反射的噪声；
所述偏振分光棱镜(11)、窄带滤光片(13)、物镜(14)依次设置在打孔反射镜(7)的反射光路上，偏振分光棱镜(11)用于去除回波信号中的噪声，窄带滤光片(13)用于隔离背景噪声，物镜(14)用于接收去噪的回波信号；
所述光纤耦合器(15)用于将去噪的回波信号耦合至单光子探测器(16)；
所述单光子探测器(16)用于响应去噪的回波信号中的回波光子，输出端连接所述核心处理单元，核心处理单元用于对回波光子计数，获取回波光子的飞行时间，控制偏振光发射装置工作，并对数据进行处理。
2.根据权利要求1所述的一种水下共轴单光子成像系统，其特征在于：
还包括设置在偏振分光棱镜(11)反射光路上的吸光材料(12)；
所述目标信号光包括垂直分量偏振态和水平分量偏振态；
所述偏振分光棱镜(11)用于将噪声和目标信号光中的垂直分量偏振态反射至吸光材料(12)表面，将目标信号光中的水平分量偏振态透射。
3.根据权利要求1或2所述的一种水下共轴单光子成像系统，其特征在于：
所述偏振光发射装置包括激光器(4)，以及设置在激光器(4)出射光路上的反射镜(5)和偏振片(6)；
所述反射镜(5)用于调节激光器(4)出射光路的水平；
所述偏振片(6)用于将激光器(4)的出射光起偏成垂直偏振光。
4.一种水下共轴单光子成像方法，基于权利要求1-3任一所述水下共轴单光子成像系统，其特征在于，包括以下步骤：
S1，发射垂直偏振光，使其通过打孔反射镜(7)的通孔传输至二维扫描振镜(8)，二维扫描振镜(8)通过光学窗口(9)对探测目标(10)的第一点进行扫描探测并接收回波信号；
所述回波信号包括探测目标(10)反射的目标信号光和光学窗口(9)反射的噪声；所述噪声为垂直偏振态，目标信号光中包括水平分量偏振态与垂直分量偏振态；
S2，二维扫描振镜(8)将回波信号传输至打孔反射镜(7)，使其反射至偏振分光棱镜(11)；
S3，利用偏振分光棱镜(11)去除回波信号中的噪声和垂直分量偏振态的目标信号光后，再通过窄带滤光片(13)，得到去噪的回波信号；
S4，将去噪的回波信号传输至物镜(14)，再由光纤耦合器(15)耦合传输至单光子探测器(16)；
S5，单光子探测器(16)探测获得对应像素去噪的回波信号中的回波光子并通过核心处理单元对该像素回波光子计数，并获取回波光子的飞行时间；
S6，重复S1-S5多次，获得多个回波信号的回波光子和对应的飞行时间，并对其进行累积恢复出回波信号的离散波形，获得此像素的时间通道光子数分布；
所述获得此像素的时间通道光子数分布具体为：
S6.1，计算单光子探测器(16)接收的第i个像素对应噪声的时间通道光子数的数学期望分布MGi和第i个像素中目标信号光水平分量偏振态的时间通道光子数的数学期望分布MTi；
其中，i≤m×n，m×n为探测目标(10)的扫描点的数量，η1为光学窗口(9)的反射率，ηs为偏振分光棱镜(11)的反射率，为激光器(4)到单光子探测器(16)全链路的衰减因子，ω为单个光子的能量，E为激光器(4)初始发射的能量分布，ηp为偏振分光棱镜(11)的透过率，δp为目标信号光中水平分量偏振态的占比，η为光学窗口(9)的透过率，α为水的衰减系数，e为自然对数，d＝2d′，d′为探测目标(10)到光学窗口(9)的距离，η2为目标反射率；
S6.2，根据下式计算单光子探测器(16)接收的第i个像素的时间通道光子数的数学期望分布Mi；
Mi＝MGi+MTi+b
其中，b为单光子探测器(16)的暗计数和激光在水中传输受到的散射噪声的总分布；
S6.3，对Mi进行泊松分布得到对应的时间通道光子数分布yi；
S7，重复S1-S6，对探测目标(10)的所有点进行扫描探测，获得所有像素的时间通道光子数分布，从而得到整体图像的回波光子信号；
S8，根据整体图像的回波光子信号，分别计算中间像素和边缘像素的深度信息和强度信息，从而得到强度图像和深度图像。
5.根据权利要求4所述的一种水下共轴单光子成像方法，其特征在于：
步骤S7中，整体图像的回波光子信号Y如下所示：
Y＝[y1，y2，…，yi，…，yz]
其中，z是像素数，z＝m×n，y1，y2，…，yi，…，yz为第1，2，…，i，…，z个像素的时间通道光子数分布。
6.根据权利要求5所述的一种水下共轴单光子成像方法，其特征在于：
步骤S8具体为：
S8.1，将整体图像的回波光子信号Y通过矩阵变换重构为三维数据立方体S，S是由m×n个像素的时间通道光子数分布组成的三维数据立方体；
S8.2，计算每个中间像素的深度信息Dt，l和强度信息Rt，l，其中，1<t<m，1<l<n；
S8.3，对边缘像素进行赋值，得到每个边缘像素的深度信息和强度信息；
S8.4，根据步骤S8.2中的中间像素的深度信息和强度信息以及步骤S8.3中边缘像素的深度信息和强度信息，得到强度图像R和深度图像D′；
S8.5，根据强度图像R修正深度图像D′，得到新的深度图像D。
7.根据权利要求6所述的一种水下共轴单光子成像方法，其特征在于：
步骤S8.2中，计算每个中间像素的深度信息Dt，l和强度信息Rt，l，具体为：
通过累加St，l四邻域像素的时间通道光子数分布得到第(t，l)像素新的时间通道光子数分布Vt，l，Vt，l中峰值对应的横坐标作为第(t，l)像素的深度信息Dt，l，将Vt，l的总光子数求和得到第(t，l)像素的强度信息Rt，l；其中，St，l是第(t，l)像素的时间通道光子数分布。
8.根据权利要求7所述的一种水下共轴单光子成像方法，其特征在于：
步骤S8.3中，利用欧氏距离最短的像素值对边缘像素进行赋值；
步骤S8.5具体为，找到Rt，l与其八邻域像素的中位数Rv，x，使Dt，l＝Dv，x，其中t-1<v<t+1，l-1<x<l+1，遍历整个图像，得到新的深度图像D；其中，Rv，x为第(v，x)像素的强度信息，Dv，x为第(v，x)像素的深度信息。
9.根据权利要求4-8任一所述的一种水下共轴单光子成像方法，其特征在于：
探测目标(10)到光学窗口(9)的距离d′满足下列关系：
d′≤Dt×Cw
其中，Dt为单光子探测器(16)的死时间，Cw为光在水中传输的速度；
所述垂直偏振光为脉冲信号。
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